（通信与信息系统专业论文）电能质量在线监测系统的研究.pdf

华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文摘要 摘要 随着社会的发展，电能质量问题越来越受到社会的关注，而电能质量问 题取决于发电方供电方和用电方，关系到各方的利益，电能质量在线监测 的网络化是一种必然趋势。本文给出了电能质量在线监测系统的设计实现方 案，可使电力部门及时、详细精确地掌握电力系统电网的电能质量状况， 正确、合理地评估电网的电能质量水平。系统以计算机技术、虚拟仪器技术 和网络通信技术为依托，组网采用调制解调器和以太网方式，将电网中的各 监测站点连成整体，实现了电能质量监测的网络化，保证了数据传输的实时 性、可靠性。本系统由数据采集子系统、通信子系统、服务器子系统三部分 构成。 本系统在完成开发和设计后，已实际应用于电力系统中电能质量的监 测。 关键词:虚拟仪器，电能后量.在线监测， 面向对象，动态报表 a b s t r ac t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f s o c i e t y , p o w e r q u a l i t y i s p a i d m o r e a n d m o r e a t t e n t i o n . p o w e r q u a l i t y d e p e n d s o n p o w e r s t a t i o n s , t r a n s m i s s i o n d e p a r tm e n t s , p o w e r s u p p l y d e p a r tme n t s a n d e l e c t r i c i t y u s e r s . p o w e r q u a l i t y a l s o i n fl u e n c e s t h e i r i n t e r e s t s . t h e o n - l i n e m o n i t o r i n g o f p o w e r q u a l i t y h a s b e c o m e a n i n e x o r a b l e tr e n d . w e o f f e r a d e s i g n p l a n o f t h e o n - l i n e m o n i t o r in g s y s t e m o f p o w e r q u a l i t y in o r d e r t h a t e l e c t r i c p o w e r d e p a r tme n t s c a n m a s t e r p o w e r q u a l it y t i m e l y a n d a c c u r a t e l y a n d a s s e s s t h e p o w e r q u a l i t y o f p o w e r g r i d p r o p e r l y . t h e s y s t e m i s b a s e d o n c o m p u t e r t e c h n o l o g y , v i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y a n d n e t c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y . n e t c o m m u n i c a t i o n i s s u p p o r te d b y mo d e m a n d e t h e r n e t a n d b y i n t e g r a t i n g m o n i t o r i n g s t a t i o n s i n t h e p o w e r g r i d , a c h i e v e s o n - l i n e m o n it o r i n g s y s t e m o f p o w e r q u a l i t y a n d g u a r a n t e e s r e a l - t im e a n d r e l i a b l e t r a n s m i s s i o n o f d a t a . t h e s y s t e m i s c o m p o s e d o f d a t a m o n it o r i n g s u b - s y s t e m , c o m m u n i c a t i o n s u b - s y s t e m a n d s e r v e r s u b - s y s t e m . t h e s y s t e m h a s b e e n t e s t e d a n d a p p l i e d i n t h e p o w e r in d u s t r y t o m o n i t o r p o w e r q u a l i t y . g o n g g a n 幻 u n ( c o m m u n i c a t i o n a n d i n f o r m a t i o n s y s t e m ) d i r e c t e d b y p r o f . z h a n g g e n b a o k e y wo r d s : v i r t u a l i n s t r u m e n t , p o w e r q u a l i t y , o n - l i n e m o n i t o r i n g， ob j e c t o r i e n t e d , d y n a mi c r e p o r t 加r 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文摘要 摘要 随着社会的发展，电能质量问题越来越受到社会的关注，而电能质量问 题取决于发电方、供电方和用电方，关系到各方的利益，电能质量在线监测 的网络化是一种必然趋势。本文给出了电能质量在线监测系统的设计实现方 案，可使电力部门及时、详细、精确地掌握电力系统电网的电能质量状况， 正确、合理地评估电网的电能质量水平。系统以计算机技术、虚拟仪器技术 和网络通信技术为依托，组网采用调制解调器和以太网方式，将电网中的各 监测站点连成整体，实现了电能质量监测的网络化，保证了数据传输的实时 性、可靠性。本系统由数据采集子系统、通信子系统、服务器子系统三部分 构成。 本系统在完成开发和设计后，已实际应用于电力系统中电能质量的监 测。 关键词:虚拟仪器，电能质量，在线监测， 面向对象，动态报表 ab s t rac t wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f s o c i e t y , p o w e r q u a l i t y i s p a i d m o r e a n d m o r e a t t e n t i o n . p o w e r q u a l i t y d e p e n d s o n p o w e r s t a t i o n s , t r a n s m i s s i o n d e p a r tm e n t s , p o w e r s u p p l y d e p a r tm e n t s a n d e l e c t r i c i t y u s e r s . p o w e r q u a l i t y a l s o i n fl u e n c e s t h e i r i n t e r e s t s . t h e o n - l i n e m o n i t o r i n g o f p o w e r q u a l i t y h a s b e c o m e a n i n e x o r a b l e tr e n d . w e o f f e r a d e s i g n p l a n o f t h e o n - l i n e m o n i t o r in g s y s t e m o f p o w e r q u a l i t y in o r d e r t h a t e l e c t r i c p o w e r d e p a r tme n t s c a n m a s t e r p o w e r q u a l it y t i m e l y a n d a c c u r a t e l y a n d a s s e s s t h e p o w e r q u a l i t y o f p o w e r g r i d p r o p e r l y . t h e s y s t e m i s b a s e d o n c o m p u t e r t e c h n o l o g y , v i r t u a l i n s t r u m e n t t e c h n o l o g y a n d n e t c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y . n e t c o m m u n i c a t i o n i s s u p p o r te d b y mo d e m a n d e t h e r n e t a n d b y i n t e g r a t i n g m o n i t o r i n g s t a t i o n s i n t h e p o w e r g r i d , a c h i e v e s o n - l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m o f p o w e r q u a l i t y a n d g u a r a n t e e s r e a l - t im e a n d r e l i a b l e t r a n s m i s s i o n o f d a t a . t h e s y s t e m i s c o m p o s e d o f d a t a m o n it o r i n g s u b - s y s t e m , c o m m u n i c a t i o n s u b - s y s t e m a n d s e r v e r s u b - s y s t e m . t h e s y s t e m h a s b e e n t e s t e d a n d a p p l i e d i n t h e p o w e r in d u s t r y t o m o n i t o r p o w e r q u a li t y . g o n g g a n 幻 u n ( c o m m u n i c a t i o n a n d i n f o r m a t i o n s y s t e m ) d i r e c t e d b y p r o f . z h a n g g e n b a o k e y wo r d s : v i r t u a l i n s t r u me n t , p o w e r q u a l i t y , o n - l i n e m o n i t o r i n g， ob j e c t o r i e n t e d , d y n a mi c r e p o r t 加r ms 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 课题研究的背景和意义 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水 平的主 要标志之一 。 随着科学技术和社会经济的 发展， 对电能的需求量日 益增加， 同时对电能质量的要求也越来越高。电能质量对电力系统电网和电气设备的安全、 经济高效运行、产品质量保证以及维护人们白常生产和生活的正常秩序都有着重 要意义。 从上个世纪 8 0年代以来，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，非 线性、冲击性和不平衡性的用电负荷急增，对供电电能质量造成了严重的千扰和污 染，导致生产设备的损坏和产品废品率的增加，影响正常的工业生产和电网运行， 并直接造成巨大的经济损失;而伴随着计算机等高新技术的发展，大量对电能质量 非常敏感的新型电力负荷迅速发展，它们对电能质量提出了更高的要求;另外，在 社会主义市场经济机制下，电能作为一种商品，参与市场竞争，就要符合商品的一 般特征，即保持较高的质量。因此，电能质量问 题逐渐受到电力部门和电力用户的 共同关注。 电能质量问题，不但与电力部门有关，有的电能质量指标 ( 例如谐波、电压波 动和闪变、三相电压不平衡度)往往是由用户千扰所引起的。要保证电力系统电能 的质量，必须由电力部门 和接入电网的广大电力用户来共同维护，因此为了 切实维 护电力部门和电力用户的共同利益，保证电网的安全运行，净化电气环境，必须加 强电力系统电能质量的管理。目前，电能质量的监测方式主要有三种:设备入网前 的专门检测、设备使用中的定期或不定期检测和在线监测2 1 。由于电能质量问题的 特殊性，对于不同的供 ( 或用)电点在不同的供 ( 或用)电时刻，电能质量指标往 往是不同的。也就是说，电能质量在空间上和时间上均处于动态变化之中。前两种 监测方式的监测数据不能全面和准确地反映出电力系统电网的电能质量信息，因此 电能质量监测应该采用在线监测。电力部门希望通过在电力系统电网中的各等级变 电站和特殊点安装专门的电能质量监测装置，采用电能质量在线监测技术，组建电 能质量在线监测系统，从而严格按照电能质量国家标准，通过利用电能质量在线监 测设备对电力系统电网进行在线监测，从而连续收集、记录和存储电力系统电网的 频率偏差、电压偏差、电 压波动与闪变、谐波，三相不平衡等稳态信息，以及电压 跌落、电压骤升和电压中断等暂态信息。因此，必须对系统的电能质量进行一氏 期在 线监测。 为了适应电力部门的需求，有关电能质量问题的研究一直都在进行中，国内外 采取了许多先进的软、硬件技术以及各种数学仿真方法，也有许多研究成果和相应 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第一章绪论 1 . 1 课题研究的背景和意义 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水 平的主 要标志之一 。 随着科学技术和社会经济的 发展， 对电能的需求量日 益增加， 同时对电能质量的要求也越来越高。电能质量对电力系统电网和电气设备的安全、 经济高效运行、产品质量保证以及维护人们白常生产和生活的正常秩序都有着重 要意义。 从上个世纪 8 0年代以来，现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，非 线性、冲击性和不平衡性的用电负荷急增，对供电电能质量造成了严重的千扰和污 染，导致生产设备的损坏和产品废品率的增加，影响正常的工业生产和电网运行， 并直接造成巨大的经济损失;而伴随着计算机等高新技术的发展，大量对电能质量 非常敏感的新型电力负荷迅速发展，它们对电能质量提出了更高的要求;另外，在 社会主义市场经济机制下，电能作为一种商品，参与市场竞争，就要符合商品的一 般特征，即保持较高的质量。因此，电能质量问 题逐渐受到电力部门和电力用户的 共同关注。 电能质量问题，不但与电力部门有关，有的电能质量指标 ( 例如谐波、电压波 动和闪变、三相电压不平衡度)往往是由用户千扰所引起的。要保证电力系统电能 的质量，必须由电力部门 和接入电网的广大电力用户来共同维护，因此为了 切实维 护电力部门和电力用户的共同利益，保证电网的安全运行，净化电气环境，必须加 强电力系统电能质量的管理。目前，电能质量的监测方式主要有三种:设备入网前 的专门检测、设备使用中的定期或不定期检测和在线监测2 1 。由于电能质量问题的 特殊性，对于不同的供 ( 或用)电点在不同的供 ( 或用)电时刻，电能质量指标往 往是不同的。也就是说，电能质量在空间上和时间上均处于动态变化之中。前两种 监测方式的监测数据不能全面和准确地反映出电力系统电网的电能质量信息，因此 电能质量监测应该采用在线监测。电力部门希望通过在电力系统电网中的各等级变 电站和特殊点安装专门的电能质量监测装置，采用电能质量在线监测技术，组建电 能质量在线监测系统，从而严格按照电能质量国家标准，通过利用电能质量在线监 测设备对电力系统电网进行在线监测，从而连续收集、记录和存储电力系统电网的 频率偏差、电压偏差、电 压波动与闪变、谐波，三相不平衡等稳态信息，以及电压 跌落、电压骤升和电压中断等暂态信息。因此，必须对系统的电能质量进行一氏 期在 线监测。 为了适应电力部门的需求，有关电能质量问题的研究一直都在进行中，国内外 采取了许多先进的软、硬件技术以及各种数学仿真方法，也有许多研究成果和相应 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 的产品。目前电能质量研究分析的方法主要有:时域仿真方法、频域分析方法和基 于变换方法;产品有基于硬件的，如数字信号处理d s p 芯片和单片机芯片的，也有 基于软件的，如运行在工业计算机上的监测软件;监测产品方式主要以便携式、单 装置安装为主，电能质量监测的网络化程度较低。 目 前供电部门电能质量的主要地监测手段是以人工方式，利用便携式电能质量 测量设备，对线路和变电站进行 “ 地毯式”的现场采集数据，工作量大、数据采集 不系统、不全面、时间的延续性短、监测功能较少、实时性较差、监测效率低、统 计分析功能 欠缺，对电 能质量问 题的 分析起不到理想的作用团 。为了 彻底解决电网 电能质量监测问题，提出了电网电能质量测量的全面解决方案，即通过网络通信技 术，构建基于网络平台的电网电能质量在线监测网络，实时在线监测和发布电能质 量信息， 实现电能质量监测的自 动化和现代化， 大大降低劳动强度， 提高工作效率， 为电能质量的综合治理提供保障。 电能质量监测技术的发展动态就是进一步开发性能优异的在线电能质量监测 产品，建立在线监测的网络化系统，改变以往单装置安装和监测的作法，采用实时 在线监测，实时获得系统电能质量信息，建立起表征电能质量的、真正有用的数据 库，提供给电力部门实时、详细和准确的数据信息。在电能质量监测和分析的基础 上，实现电能质量的统一管理，在最大程度上削弱电能质量问题所带来的危害。 1 . 2 电能质量连续监测的优点 电能由于其本身的特殊性，不能存储，必须在生产时就马上消耗掉。如果电能 质量不能满足要求， 并不能循环利用或修复再进行处理， 必须对电能进行连续监测， 实时确定其质量。 电能质量与一般产品质量不同，其质量取决于发电方、供电方和用电方，而且 对于不同的供 ( 或用)电点在不同的供 ( 或用)电时刻，电能质量指标往往是不同 的，在时间和空间上均处于动态变化的。因此，电能质量指标宜用概率统计结果来 衡量，需要长期连续监测，获取实时数据来统计分析，否则可能片面化。 连续监测是通过对电力系统的p c c 点( 公共连接点) 的电能质量运行参数进行全 日 程的监测分析，根据电能质量的国家标准连续收集、记录和存储电力系统电网的 电能质量信息。 电能质量连续监测的优点如下: ( 1 )连续监测数据在数据库中生成了详细的电能质量监测报告，为分析电能质 量事故、明确事故原因，提供了依据，从而为避免事故的再次发生提供参考，实现 预测维护。 ( 2 )连续监测谐波，确保随时间的推移，负载的增加不会引起过多的热量，影 响和缩短电器设备的正常使用寿命。 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 的产品。目前电能质量研究分析的方法主要有:时域仿真方法、频域分析方法和基 于变换方法;产品有基于硬件的，如数字信号处理d s p 芯片和单片机芯片的，也有 基于软件的，如运行在工业计算机上的监测软件;监测产品方式主要以便携式、单 装置安装为主，电能质量监测的网络化程度较低。 目 前供电部门电能质量的主要地监测手段是以人工方式，利用便携式电能质量 测量设备，对线路和变电站进行 “ 地毯式”的现场采集数据，工作量大、数据采集 不系统、不全面、时间的延续性短、监测功能较少、实时性较差、监测效率低、统 计分析功能 欠缺，对电 能质量问 题的 分析起不到理想的作用团 。为了 彻底解决电网 电能质量监测问题，提出了电网电能质量测量的全面解决方案，即通过网络通信技 术，构建基于网络平台的电网电能质量在线监测网络，实时在线监测和发布电能质 量信息， 实现电能质量监测的自 动化和现代化， 大大降低劳动强度， 提高工作效率， 为电能质量的综合治理提供保障。 电能质量监测技术的发展动态就是进一步开发性能优异的在线电能质量监测 产品，建立在线监测的网络化系统，改变以往单装置安装和监测的作法，采用实时 在线监测，实时获得系统电能质量信息，建立起表征电能质量的、真正有用的数据 库，提供给电力部门实时、详细和准确的数据信息。在电能质量监测和分析的基础 上，实现电能质量的统一管理，在最大程度上削弱电能质量问题所带来的危害。 1 . 2 电能质量连续监测的优点 电能由于其本身的特殊性，不能存储，必须在生产时就马上消耗掉。如果电能 质量不能满足要求， 并不能循环利用或修复再进行处理， 必须对电能进行连续监测， 实时确定其质量。 电能质量与一般产品质量不同，其质量取决于发电方、供电方和用电方，而且 对于不同的供 ( 或用)电点在不同的供 ( 或用)电时刻，电能质量指标往往是不同 的，在时间和空间上均处于动态变化的。因此，电能质量指标宜用概率统计结果来 衡量，需要长期连续监测，获取实时数据来统计分析，否则可能片面化。 连续监测是通过对电力系统的p c c 点( 公共连接点) 的电能质量运行参数进行全 日 程的监测分析，根据电能质量的国家标准连续收集、记录和存储电力系统电网的 电能质量信息。 电能质量连续监测的优点如下: ( 1 )连续监测数据在数据库中生成了详细的电能质量监测报告，为分析电能质 量事故、明确事故原因，提供了依据，从而为避免事故的再次发生提供参考，实现 预测维护。 ( 2 )连续监测谐波，确保随时间的推移，负载的增加不会引起过多的热量，影 响和缩短电器设备的正常使用寿命。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( 3 ) 连续监测功耗和r m s ( 均方根值或有效值) 为系统扩容、 增加新负载和确保供 电馈线、变电站具有足够的容量提供了依据。 ( 4 ) 连续监测可以及时监测到电能质量问题，并通过通信网络或报警设备发出 报警信息，告知工作人员及时采取措施来隔离故障，减小危害。 因此， 连续监测使得电力部门可以全面、 准确地掌握供电系统的电能质量状况， 对电网的电能质量水平做出综合评价， 进而找出扰动原因和减轻干扰的影响， 进行 治理，帮助供电公司在规划中正确的改善供用电系统的结构，提高系统运行的稳定 性以及合理的扩大系统的容量和投资水平。因此，对系统的电能质量进行长期监测 是电能质量管理的必然。 1 . 3本文的主要工作 本论文研究利用计算机技术、虚拟仪器技术和网络通信技术，组建一套电能质 量在线监测系统，对供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、公用电网谐波、 电压允许波动与闪变、 三相电压允许不平衡度等电能质量参数进行实时的在线监 测、分析和处理。因为系统是建立在网络平台上，可以对被测区域内各变电站所有 测量点的数据进行收集汇总处理，以分析电网谐波的潮流和规律，为预先解决电网 电能质量故障隐患，事后分析事故原因和电能质量问题综合治理提供可靠保证。论 文主要工作包括: ( 1 )用虚拟仪器技术来开发电能质量监测仪， 编写电能质量在线监测分析程序， 设计相应硬件电路; ( 2 )通信方案的设计，编写基于面向过程和面向对象的不同组网方式的通信软 件，满足系统通信需求; ( 3 )数据库服务器的设计，编写数据库的内部管理程序、统计分析程序，保证 数据库数据存储可靠性; ( 4 ) w e b 服务器设计，编写w e b 服务器软件，实现远程系统管理、维护、配置。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 ( 3 ) 连续监测功耗和r m s ( 均方根值或有效值) 为系统扩容、 增加新负载和确保供 电馈线、变电站具有足够的容量提供了依据。 ( 4 ) 连续监测可以及时监测到电能质量问题，并通过通信网络或报警设备发出 报警信息，告知工作人员及时采取措施来隔离故障，减小危害。 因此， 连续监测使得电力部门可以全面、 准确地掌握供电系统的电能质量状况， 对电网的电能质量水平做出综合评价， 进而找出扰动原因和减轻干扰的影响， 进行 治理，帮助供电公司在规划中正确的改善供用电系统的结构，提高系统运行的稳定 性以及合理的扩大系统的容量和投资水平。因此，对系统的电能质量进行长期监测 是电能质量管理的必然。 1 . 3本文的主要工作 本论文研究利用计算机技术、虚拟仪器技术和网络通信技术，组建一套电能质 量在线监测系统，对供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差、公用电网谐波、 电压允许波动与闪变、 三相电压允许不平衡度等电能质量参数进行实时的在线监 测、分析和处理。因为系统是建立在网络平台上，可以对被测区域内各变电站所有 测量点的数据进行收集汇总处理，以分析电网谐波的潮流和规律，为预先解决电网 电能质量故障隐患，事后分析事故原因和电能质量问题综合治理提供可靠保证。论 文主要工作包括: ( 1 )用虚拟仪器技术来开发电能质量监测仪， 编写电能质量在线监测分析程序， 设计相应硬件电路; ( 2 )通信方案的设计，编写基于面向过程和面向对象的不同组网方式的通信软 件，满足系统通信需求; ( 3 )数据库服务器的设计，编写数据库的内部管理程序、统计分析程序，保证 数据库数据存储可靠性; ( 4 ) w e b 服务器设计，编写w e b 服务器软件，实现远程系统管理、维护、配置。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章电能质量在线监测系统的设计 2 . 1电能质量标准 一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦的波形，按规定的电压水平对用户 供电。在电力系统中，各相的电压和电流应该处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 度 的 对称状态。由 于系统各元件参数并不是理想线性或对称的， 加之调控手段的不完 善、负荷性质各异且变化的随机性以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态 在实际中并不存在，因此就产生了电能质量的概念。 人们对电能质量问题的重视伴随电 力系统发展的全过程，只不过早期包含的内 容比 较简单，主要局限在频率偏差和电压偏差两个方面。 2 0 0 1 年 5 月，由全国电压电流等级和频率标准化技术委员会最新制定的 电能 质量国家标准将电能质量定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压，电 流或频率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、供电可靠性、波形失真、三相不 平衡以及电 压波动和闪变等川 。 从 8 0年代初开始，国家技术监督局将制定国家电能质量系列标准列为重点项 目。至2 0 0 0 年底己颁布电能质量的五项标准: ( 1 ) g b 1 2 3 2 5 - 9 0 供电电压允许偏差 ; ( 2 ) g b 1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电压波动和闪变 ; ( 3 ) g b / t 1 4 5 4 9 - 9 3 公用电网谐波 ; ( 4 ) g b / t 1 5 5 4 3 - 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度 ; ( 5 ) g b / t 1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 电力系统频率允许偏差 。 五项电能质量国标的颁布，从根本上加强了对电能质量问题的监督和管理。电 能质量标准的制定依据是从当前的技术水平出发，确定适当的电能质量指标偏差的 允许值。标准的是否合理的判断标准是: 。 )基本 l 能保证电力系统的安全、连续供电和经济运行; ( 2 )总体上能保证用户电器设备的正常用电; ( 3 )电力部门 ( 包括干扰性用户) 在当前技术水平基础上，作一定的努力后应 能达标。 要彻底解决电能质量问题，首先必须对电网电能质量状况有全面系统的了解和 掌握，分析其发生规律，查清电能质量下降的具体原因，才能采取针对性措施进行 综合治理，防止或避免因电能质量下降所造成的损失。各个电能质量国标要求的具 体指标参数如表21 所示。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 第二章电能质量在线监测系统的设计 2 . 1电能质量标准 一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦的波形，按规定的电压水平对用户 供电。在电力系统中，各相的电压和电流应该处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 度 的 对称状态。由 于系统各元件参数并不是理想线性或对称的， 加之调控手段的不完 善、负荷性质各异且变化的随机性以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态 在实际中并不存在，因此就产生了电能质量的概念。 人们对电能质量问题的重视伴随电 力系统发展的全过程，只不过早期包含的内 容比 较简单，主要局限在频率偏差和电压偏差两个方面。 2 0 0 1 年 5 月，由全国电压电流等级和频率标准化技术委员会最新制定的 电能 质量国家标准将电能质量定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压，电 流或频率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、供电可靠性、波形失真、三相不 平衡以及电 压波动和闪变等川 。 从 8 0年代初开始，国家技术监督局将制定国家电能质量系列标准列为重点项 目。至2 0 0 0 年底己颁布电能质量的五项标准: ( 1 ) g b 1 2 3 2 5 - 9 0 供电电压允许偏差 ; ( 2 ) g b 1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电压波动和闪变 ; ( 3 ) g b / t 1 4 5 4 9 - 9 3 公用电网谐波 ; ( 4 ) g b / t 1 5 5 4 3 - 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度 ; ( 5 ) g b / t 1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 电力系统频率允许偏差 。 五项电能质量国标的颁布，从根本上加强了对电能质量问题的监督和管理。电 能质量标准的制定依据是从当前的技术水平出发，确定适当的电能质量指标偏差的 允许值。标准的是否合理的判断标准是: 。 )基本 l 能保证电力系统的安全、连续供电和经济运行; ( 2 )总体上能保证用户电器设备的正常用电; ( 3 )电力部门 ( 包括干扰性用户) 在当前技术水平基础上，作一定的努力后应 能达标。 要彻底解决电能质量问题，首先必须对电网电能质量状况有全面系统的了解和 掌握，分析其发生规律，查清电能质量下降的具体原因，才能采取针对性措施进行 综合治理，防止或避免因电能质量下降所造成的损失。各个电能质量国标要求的具 体指标参数如表21 所示。 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 表 2 . 1电能质量国标指标参数 标准编号标准名称允许限值说明 g b 1 2 3 2 5 - 9 0 供电电压 允许偏差 ( 1 ) 5 k v 及以上正负偏差的绝对值之和不超过 1 0 %; ( 2 ) l o k v 及以下三相供电电压允许偏差为土 7 %; ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为+ 7 %，- 1 0 %; 衡量点为供用电 产权分界处或电 能计量点。 g b 1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电压 允 许 波 动 和 闪 变 ( 1 )电压波动允许值:i o k v 及以下为 2 . 5 % , 3 5 -i l o k v 为 2 %，2 2 0 0 及 以上为 1 . 6 %, ( 2 )电压闪变 p . : 短时闪变值卜一一一一州一 一州- ，一 一一一 州一 一州 p,.:长 时 闪 变 值陈下下不丽而怀习 ( 1 )衡量点为电 网公共连接点; ( 2 ) p. p , 测量周 期分别为 1 0分 钟、2 小时。 电压等级 l vm vh v p , 1 . 0 0 . 9 ( 1 . 0 ) 0 . 8 尸 n0 . 8 0 . 7 ( 0 . 8 ) 0 . 6 g b / t l 5 5 4 3 - 1 9 9 5 三 相 电压 允 许 不 平 衡度 正常电压不平衡度允许值为 2 %，短时不得超过 4 %，每个 用户电压不平衡度的一般限值为 1 . 3 %, 衡量点为电网公 共连接点 g b / t 1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 电力 系统 频 率允 许 偏差 ( 1 )常频率偏差允许值为1 0 . 2 h z ， 当系统容量较小时， 偏差 值可放宽到1 0 . oz . ( 2 )用户引起的频率变动一般不能超过1 0 . 2 h z g b / t 1 4 5 4 9 - 9 3 公用 电网 谐波 各 级 电 网 谐 波 允 许 限值 ( %) 电压 ( k v ) thd 奇 次偶 次 衡量点为电网公 共连接点 0 . 3 854 . 02 . 0 6 , 1 0 43 . 21 . 6 3 5 , 6 6 42 . 41 . 2 1 1 0 , 2 2 0 21 . 60. 8 2 . 2电能质量在线监测系统的设计 在市场经济体制下，电力用户和电力部门都将更加关心电能供应数量和质量的 问题，因此，电能质量的正确监测与合理评估问 题成为了关键15 1 。为了更好地对电 能质量进行正确监测，获取大量、详实的实时数据，掌握供电网的电能质量水平与 实际状况，按照合理的评估方法获取最终质量评估。对电能质量在线监测系统的基 本要求如下: ( 1 )分布式面向对象的网络化监测方法是电能质量监测的主要手段。 借鉴现有s c a d a 系统在电力系统成功应用的经验，各监测设备采用单元化面向 对象的一对一监测模式，单元之间相互独立，单元的任意增加与缩减不影响整个系 统的正常运行。每个单元能够做到小型化，抗干扰，并具有强大的实时采集、信号 分析处理能力;每个单元具有多种通讯网络接口，能使上位中心监测站随意选择实 华北电力大学 ( 北京)硕士学位论文 表 2 . 1电能质量国标指标参数 标准编号标准名称允许限值说明 g b 1 2 3 2 5 - 9 0 供电电压 允许偏差 ( 1 ) 5 k v 及以上正负偏差的绝对值之和不超过 1 0 %; ( 2 ) l o k v 及以下三相供电电压允许偏差为土 7 %; ( 3 ) 2 2 0 v 单相供电电压允许偏差为+ 7 %，- 1 0 %; 衡量点为供用电 产权分界处或电 能计量点。 g b 1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电压 允 许 波 动 和 闪 变 ( 1 )电压波动允许值:i o k v 及以下为 2 . 5 % , 3 5 -i l o k v 为 2 %，2 2 0 0 及 以上为 1 . 6 %, ( 2 )电压闪变 p . : 短时闪变值卜一一一一州一 一州- ，一 一一一 州一 一州 p,.:长 时 闪 变 值陈下下不丽而怀习 ( 1 )衡量点为电 网公共连接点; ( 2 ) p. p , 测量周 期分别为 1 0分 钟、2 小时。 电压等级 l vm vh v p , 1 . 0 0 . 9 ( 1 . 0 ) 0 . 8 尸 n0 . 8 0 . 7 ( 0 . 8 ) 0 . 6 g b / t l 5 5 4 3 - 1 9 9 5 三 相 电压 允 许 不 平 衡度 正常电压不平衡度允许值为 2 %，短时不得超过 4 %，每个 用户电压不平衡度的一般限值为 1 . 3 %, 衡量点为电网公 共连接点 g b / t 1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 电力 系统 频 率允 许 偏差 ( 1 )常频率偏差允许值为1 0 . 2 h z ， 当系统容量较小时， 偏差 值可放宽到1 0 . oz . ( 2 )用户引起的频率变动一般不能超过1 0 . 2 h z g b / t 1 4 5 4 9 - 9 3 公用 电网 谐波 各 级 电 网 谐 波 允 许 限值 ( %) 电压 ( k v ) thd 奇 次偶 次 衡量点为电网公 共连接点 0 . 3 854 . 02 . 0 6 , 1 0 43 . 21 . 6 3 5 , 6 6 42 . 41 . 2 1 1 0 , 2 2 0 21 . 60. 8 2 . 2电能质量在线监测系统的设计 在市场经济体制下，电力用户和电力部门都将更加关心电能供应数量和质量的 问题，因此，电能质量的正确监测与合理评估问 题成为了关键15 1 。为了更好地对电 能质量进行正确监测，获取大量、详实的实时数据，掌握供电网的电能质量水平与 实际状况，按照合理的评估方法获取最终质量评估。对电能质量在线监测系统的基 本要求如下: ( 1 )分布式面向对象的网络化监测方法是电能质量监测的主要手段。 借鉴现有s c a d a 系统在电力系统成功应用的经验，各监测设备采用单元化面向 对象的一对一监测模式，单元之间相互独立，单元的任意增加与缩减不影响整个系 统的正常运行。每个单元能够做到小型化，抗干扰，并具有强大的实时采集、信号 分析处理能力;每个单元具有多种通讯网络接口，能使上位中心监测站随意选择实 华北电力大学 ( 北京) 硕士学位论文 时监测对象，并对任意的运行方式及不同的负荷工作周期进行实时监测。 随着通信技术及数据库技术的发展，实现了对任意实时数据进行各种方式的无 损伤搬运，最大限度的利用网络资源，减少网络瓶颈，提高网络吞吐能力，分布式 网络结构无疑具有很大的优势。只有采用分布式结构，整个网络中各个环节各负其 责，共同承担数据的存储、数据调用的过程计算，才能做到信息畅通、及时的浏览 发布。 ( 2 )电能质量在线监测系统应具有信息发布的w e b 能力。 分布式监测系统具有多级服务器模式，不同的级别可以采用 t c p / i p协议向相 关部门、社会发布各自 认为应该发布的电能质量信息供客户使用。 ( 3 )电能质量在线监测系统应具有方便灵活的查阅、统计、曲线分析能力。电 能质量在线监测系统应能以国家的相关标准及供需双方的共同约定为依据，实现对 电能质量信息的自动评估， 并具有方便灵活的查阅、统计、曲线、图表等分析能力。 ( 4 )电能质量在线监测系统的数据记录应安全保存，不能随意删改，并具有权 限分配设定功能。 ( 5 )电能质量在线监测系统应具有对历史记录自动及人工下载的功能，并具有 实时监测功能。 本文提出的电能质量在线监测系统为分层分布式系统，充分考虑监测要求、实 时计算能力和通信能力，以计算机技术、 虚拟仪器技术和网络通信技术为依托，通 过将电网中的各监测站点连成整体，对供电电压允许偏差、电力系统频率允许偏差 ，公用电网谐波、电压允许波动与闪变、 三相电压允许不平衡度等电能质量参数 进行实时的在线监测、分析和处理，实现了电能质量监测的网络化，改变了以往单 装置安装和监测的作法。因为系统是建立在网络平台上，可以对被测区域内各变电 站所有测量点的数据进行收集汇总处理，以分析电网谐波的潮流和规律，为预先解 决电网电能质量故障隐患，事后分析事故原因和电能质量问题综合治理提供可靠保 证 。 电能质量在线监测系统包含数据采集子系统、通信子系统、服务器子系统三 部分，采用模块化程序设计方法，便于各部分功能的组合和修改，又便于日后的维 护 和改 进， 结 构 如图2 . 1 所 示 a 1 华北电 力大学 ( 北京)硕士学位论文 监测仪 t 1 i监测仪2监测仪 n 通信子系统 以太网/ 调制解调器组网方式 本地用户i we b 服务器数据库服务器i实时显示 图2 . 1电能质量在线监测系统结构图 在图2 . 1 中，数据采集子系统由位于不同位置的电能质量监测仪构成，通过对 指定线路的电压和电流信号的监测分析，得出该线路的电能质量指标数据，并通过 网络上传到通信服务器，同时时刻准备接受通信子系统转发下传的由管理中心发布 的控制命令。 通信子系统一方面把各个站点电能质量监测仪的监测数据进行实时显示或上 传到数据库服务器的实时数据库中，然后再由数据库服务器的分析处理程序进行相 关的统计分析，存入历史数据库中，供以后查询、显示;另一方面，接受管理中心 通过服务器发布的命令信息、检索信息和配置信息，对监测系统进行设置。 服务器子系统位于电能质量监测管理中心，从功能上又分为数据库服务器和 w e b服务器，主要完成以下功能:提供电能质量中心数据库:对变电站电能质量监 测数据的实时访问;为整个系统提供报警和通告规则管理;为潜在的系统管理和电 能质量事件数据库提供面向对象的接c i ，以方便对可用户化和基于w e b 的数据接n 进行程序开发应用:应实时从电能质量监测仪获取监测数据，并将稳态电能质量和 干扰数据补充进电能质量中心数据库;对管理维护监测系统设施提供手段和报告; 对电能质量监测仪进行系统范围内的软件远程升级:对电能质量监测仪的设置信息 数据库进行维护;为电能质量在线监测系统提供密码安全和受控访问功能;根据用 户定制报告的内容自 动生成报告，报告可以通过企业局域网进行授权查看和下载。 这里本地用户是相对于远程用户而言的，本地用户主要指的是局域网内能通过 实时显示软件来实时查看电能质量在线监测数据的用户，本地用户也可通过 i e浏 览器从w e b 服务器上获取信息，而远程用户指的就是非本局域网成员， 只能通过 i e 浏览器从 w e b 服务器上获取信息。 目 前电能质量监测系统的建设还处于初步阶段，如何确保电能质量监测数据传 输的实时性、可靠性是系统实现的一个难点。本文给出一种电能质量在线监测系统 的设计和实现方案，希望能对电能质量监测系统的设计提供帮助。本套电能质量在 线监测系统是结合实际开发的，系统严格按照电能质量国家标准的要求，实现了电 华北电 力大学 ( 北京)硕士学位论文 能质量在线监测的网络化管理。系统通过基于虚拟仪器技术的电能质量监测仪对各 变电站中指定线路的在线监测，获取了电能质量实时信息，并且可通过数据的实时 显示、本地显示和w e b 显示，使电力部门实时、详细、精确的了解电网的电能质量 状况，及时发现电能质量问题，并采取措施来改善电能质量。 华北电 力大学 ( 北京)硕士学位论文 第三章数据采集子系统 3